304 vs 430 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einleitung
Wenn Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner zwischen den Edelstahlsorten 304 und 430 wählen, wägen sie typischerweise Korrosionsbeständigkeit, mechanisches Verhalten, magnetische Eigenschaften und Kosten ab. Übliche Anwendungskontexte sind Spezifikationen für Lebensmittel- und Medizintechnik (wo Korrosionsbeständigkeit und Nicht-Magnetismus wichtig sind) gegenüber Haushalts- und Kfz-Zierleisten (wo Kosten, Umformbarkeit und magnetisches Verhalten relevant sind).
Die Hauptunterschiede resultieren aus der Legierungsstrategie: Die Sorte 304 ist ein austenitischer Chrom-Nickel-Edelstahl, optimiert für Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit, während 430 ein ferritischer Chrom-Edelstahl mit niedrigerem Legierungsgehalt, magnetischem Verhalten und typischerweise geringerer Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Umgebungen ist. Diese unterschiedlichen Chemien führen zu Unterschieden in Mikrostruktur, Schweißbarkeit, Bearbeitung und Anwendungsauswahl.
1. Normen und Bezeichnungen
- 304: Übliche Bezeichnungen — UNS S30400, AISI 304, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10. Klassifiziert als Edelstahl, austenitisch.
- 430: Übliche Bezeichnungen — UNS S43000, AISI 430, EN 1.4016 (bzw. 1.4016/1.4010 Varianten), JIS SUS430, GB 0Cr17. Klassifiziert als Edelstahl, ferritisch.
Beide sind durch Normen für Blech/Platte/Rohr wie ASTM A240 (Flacherzeugnisse) und diverse EN/JIS-Pendants abgedeckt. Es handelt sich nicht um Kohlenstoffstahl, Werkzeugstahl oder HSLA-Sorten.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche für die handelsüblichen Sorten 304 und 430 (Bereiche variieren je nach Norm und Produktform; Werte in Gewichtsprozent angegeben).
| Element | 304 (typischer Bereich) | 430 (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.12 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 1.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.04 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18,0–20,0 | 16,0–18,0 |
| Ni | 8,0–10,5 | ≤ 0,75 |
| Mo | ≈ 0 | ≈ 0 |
| V | Spuren / keine | Spuren / keine |
| Nb (Cb) | keine (außer stabilisierten Varianten) | keine |
| Ti | keine (außer stabilisierten Varianten) | keine |
| B | Spuren / keine | Spuren / keine |
| N | ≤ 0,11 | ≤ 0,1 (oft nicht spezifiziert) |
Auswirkungen der Legierungsstrategie: - Chrom sorgt bei beiden Sorten für die basale Passivität als Edelstahl; höherer Cr-Gehalt verbessert Oxidations- und allgemeine Korrosionsbeständigkeit. - Nickel stabilisiert die Austenitstruktur, erhöht Zähigkeit und Umformbarkeit und verbessert die Korrosionsbeständigkeit in vielen Umgebungen erheblich – dies ist entscheidend für die Leistung von 304. - Der niedrige Legierungsgehalt von 430 macht den Stahl in chloride- oder säurehaltigen Umgebungen weniger korrosionsbeständig, verleiht aber magnetische Eigenschaften und geringere Kosten. - Fehlende hartelementartige Legierungen (Mo, V, Nb) bedeuten, dass keine der beiden Sorten durch konventionelles Vergüten gehärtet wird; die Festigkeitssteigerung erfolgt hauptsächlich durch Kaltumformung (für den austenitischen 304) oder durch Legierungs- und Zugzustände (für 430).
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsverhalten
- 304: Vollständig austenitisch (kubisch-flächenzentriert, FCC) bei Raumtemperatur aufgrund ausreichendem Nickel und ausgewogenem Cr-Gehalt. Austenit ist stabil, was zu ausgezeichneter Zähigkeit und Duktilität über einen breiten Temperaturbereich führt. Lösungsglühen (typisch ~1000–1100 °C mit anschließendem schnellem Abkühlen) löst Ausscheidungen auf und stellt die Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen wieder her; Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit durch Verzerrungshärtung und kann in stark kaltverformtem Zustand eine geringe martensitische Umwandlung bewirken (beeinflusst magnetisches Verhalten).
- 430: Ferritisch (kubisch-raumzentriert, BCC) bei Raumtemperatur. Ferrit ist magnetisch und wandelt sich beim Abschrecken nicht in Martensit um, wie es bei martensitischem Stahl der Fall ist. Ferritische Edelstähle lassen sich nicht durch Abschrecken und Anlassen härten; das Glühen (ca. 750–900 °C je nach Spezifikation, gefolgt von langsamer Ofenabkühlung) dient zum Weichglühen und zur Wiederherstellung der Duktilität. Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit, reduziert aber die Duktilität.
Zusammenfassung zum Wärmebehandlungsverhalten: - Normalisieren/Abschrecken & Anlassen: keine anwendbare Härtungsmethode für beide Sorten wie bei Kohlenstoff- oder legierten Stählen. - Lösungsglühen ist für 304 nach hochtemperaturiger Beanspruchung entscheidend, um Chromcarbid-Ausscheidungen (Sensibilisierung) zu vermeiden und Korrosionsbeständigkeit wiederherzustellen. - 430 ist anfällig für Kornwachstum und Duktilitätsverlust bei falscher Schweißtemperaturführung; kontrolliertes Glühen stellt Eigenschaften wieder her.
4. Mechanische Eigenschaften
Das typische mechanische Verhalten hängt von Produktform (Blech, Platte, Stab) und Zustand (gelassen vs. kaltverfestigt) ab. Die untenstehenden Werte sind typische Bereiche für gelassene Handelsprodukte; für exakte Bemessungswerte sind Werkstoffzeugnisse zu konsultieren.
| Eigenschaft | 304 (gelassen, typisch) | 430 (gelassen, typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (Rm) | ~520–750 MPa | ~450–620 MPa |
| Streckgrenze (0,2 %-Dehngrenze) | ~200–310 MPa | ~200–350 MPa |
| Dehnung (gleichmäßig/gesamt) | ~40–60 % (gute Duktilität) | ~20–40 % (geringere Duktilität) |
| Einschlagzähigkeit (Raumtemperatur) | Hoch, behält Zähigkeit bei tiefen Temperaturen | Moderat; niedrigere Werte bei tiefen Temperaturen |
| Härte (HRB) | ~70–95 | ~60–90 |
Interpretation: - 304 bietet aufgrund seiner austenitischen Mikrostruktur und des Nickelgehalts allgemein höhere Duktilität und Zähigkeit. - 430 kann in einigen Zuständen vergleichbare Streckgrenzen erreichen, zeigt jedoch typischerweise geringere Dehnungsfähigkeit und Zähigkeit, insbesondere bei sub-ambienten Temperaturen. - Beide Sorten erhöhen ihre Festigkeit durch Kaltverfestigung; 304 verfestigt sich dabei deutlicher, was Umformung und Zerspanung beeinflussen kann.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt von Zusammensetzung, Kohlenstoffäquivalent und Mikrostrukturempfindlichkeit ab.
Wichtige Schweißbarkeitsindizes (qualitativ nützlich): - Kohlenstoffäquivalent nach International Institute of Welding: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (allgemeine Schweißrissneigung): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Bewertung: - 304: Hervorragende Schweißbarkeit mit gebräuchlichen Verfahren (GMAW, GTAW, SMAW). Varianten mit niedrigem Kohlenstoffanteil (304L) werden verwendet, um Sensibilisierungsrisiken zu minimieren und interkristalline Korrosion nach dem Schweißen zu vermeiden. Lösungsglühen nach intensiven Schweißarbeiten oder die Reduktion der Wärmeeinbringung vermindert Karbidausscheidungen. Die austenitische Mikrostruktur widersteht Kaltverzug und kaltrissanfälligkeit; jedoch führt Schweißverzug zu Kaltverfestigung in Schweißnähe. - 430: Schweißbar mit passenden Schweißzusätzen und Verfahren, erfordert jedoch sorgfältige Maßnahmen. Ferritische Edelstähle besitzen eine höhere Wärmeleitfähigkeit und niedrigere Schweißbadfluidität; Kornwachstum im Wärmeeinflussgebiet und Sigma-Phasenbildung bei bestimmten Temperaturen können Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit verschlechtern. Aufheizen ist in der Regel nicht erforderlich, aber die Auswahl der Fülldrahtlegierungen und die Kontrolle der Wärmeeinbringung zur Vermeidung von Versprödung und Verzug sind wichtig. Die Verwendung ferritischer oder austenitischer Füllwerkstoffe hängt von den Endprodukteigenschaften ab.
Konkrete numerische CE- oder Pcm-Auswertungen werden hier nicht angegeben – diese Formeln dienen Ingenieuren zum Vergleich und zur Auswahl von Vorwärm- und Nachbehandlungsmaßnahmen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Der Einsatz des PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist üblich, wo Molybdän und Stickstoff die Lochfraßbeständigkeit beeinflussen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3{,}3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Für 304 und 430 gilt Mo ≈ 0 und der N-Gehalt ist gering, deshalb wird der PREN hauptsächlich vom Chromanteil bestimmt und ist moderat; 304 zeigt in vielen wässrigen Umgebungen aufgrund des höheren Nickelgehalts und stabileren Passivfilms typischerweise bessere Leistungen als 430.
Praktische Korrosionshinweise: - 304: Gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit (atmosphärisch, viele Lebensmittel, milde Chemikalien). Nicht empfohlen für dauerhafte Exposition in chloridreichen Umgebungen (marine, Auftausalze) ohne zusätzliche Maßnahmen; für Chloridbeständigkeit sind molybdänhaltige Sorten (z. B. 316) oder eine kontrollierte Konstruktion und Oberflächenbeschaffenheit zu berücksichtigen. Nach dem Schweißen vermeidet Lösungsglühen oder der Einsatz von niedrigkohlenstoffhaltigen Sorten (304L) interkristalline Korrosion. - 430: Gute atmosphärische und milde chemische Beständigkeit, jedoch schlechter als 304 in chloridhaltigen und sauren Umgebungen. Anfällig für lokale Korrosion (Lochfraß) bei aggressivem Chlorideinsatz sowie für Spannungsrisskorrosion in einigen Medien und geringer beständiger als austenitische Stähle. - Oberflächenschutz: Beide Sorten beruhen auf passiven Chromoxidschichten; mechanisches Polieren, Elektropolieren oder Passivierungsbehandlungen verbessern die Leistung. Bei unlegierten Stählen (nicht bei diesen Sorten) sind übliche Schutzmaßnahmen Verzinkung, Lackieren oder Beschichtungen – bei Edelstahl ist dies normalerweise nicht erforderlich, solange die Passivität erhalten bleibt.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Umformbarkeit
- Umformen: 304 (austenitisch) zeigt ausgezeichnete Umformbarkeit und Tiefziehfähigkeit; es sind jedoch starker Rückfederungseffekt und Kaltverfestigung zu berücksichtigen. 430 (ferritisch) ist im geglühten Zustand umformbar, hat jedoch eine geringere Duktilität und eingeschränkte Tiefzieheignung.
- Zerspanbarkeit: 430 lässt sich im geglühten Zustand oft leichter bearbeiten als 304, da die ferritische Struktur sauberer schneidet; 304 härtet bei der Bearbeitung schnell aus und erfordert möglicherweise Zwischenanlässe, scharfe Werkzeuge und höhere Schnittkräfte. Der Einsatz geeigneter Werkzeugwerkstoffe, Schnittgeschwindigkeiten und Kühlschmierstoffe ist für 304 unerlässlich.
- Oberflächenbearbeitung: Beide Sorten können zu dekorativen oder hygienischen Oberflächen ausgeführt werden; 304 erzielt aufgrund seines austenitischen Gefüges in der Regel hellere Oberflächen und lässt sich leichter polieren.
8. Typische Anwendungen
| 304 — Typische Anwendungen | 430 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Lebensmittelverarbeitungsausrüstung, Küchenspülen, Kochgeschirr, pharmazeutische Geräte | Geräteleisten (Vorderseiten von Geschirrspülern), Ofenverkleidungen, Mikrowellen-Innenräume |
| Chemische Prozesskomponenten, Wärmetauscher (ohne Chloride) | Dekorative Architekturelemente, Aufzugverkleidungen, wo Magnetismus toleriert wird |
| Medizinische Instrumente, chirurgische Werkzeuge (sterilisierbare Oberflächen) | Automobil-Innen-/Außenverkleidungen, Reflektoren/Träger, wo magnetische Eigenschaften nützlich sind |
| Befestigungselemente und Flansche mit Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit | Günstiges korrosionsbeständiges Blech für Innenanwendungen |
Auswahlkriterien: - Wählen Sie 304, wenn Korrosionsbeständigkeit, hygienische Reinigung, nicht magnetisches Verhalten und gute Umformbarkeit im Vordergrund stehen. - Wählen Sie 430, wenn Kosten, magnetische Eigenschaften und vernünftige Korrosionsbeständigkeit in nichtaggressiven Atmosphären Priorität haben.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- 304 weist höhere Materialkosten aufgrund des Nickeleinsatzes auf; die globale Volatilität des Nickelpreises beeinflusst die 304-Preise. Weit verbreitet erhältlich als Blech, Band, Platte, Stab und Rohr.
- 430 ist kostengünstiger und in Blech und Band reichlich verfügbar, wird häufig für Haushaltsgeräte- und Architekturanwendungen bevorratet. Die Lieferzeiten sind in der Regel kürzer und Preise stabiler wegen des geringeren Nickelgehalts.
Die Produktform beeinflusst den Preis (kaltgewalzt vs. warmgewalzt vs. poliert); bei der Beschaffung sind Lieferzeit, Oberflächenzustand und Zertifizierungen (z. B. Werkszeugnis) zu berücksichtigen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | 304 | 430 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet (zur Vermeidung von Sensibilisierung 304L/Lösungsglühen verwenden) | Gut mit Vorsicht (Wärmeeintrag und Zusatzwerkstoff kontrollieren) |
| Festigkeit–Zähigkeit | Hohe Zähigkeit und Duktilität; gute Festigkeit | Ausreichende Festigkeit, geringere Zähigkeit und Duktilität als 304 |
| Kosten | Höher (Nickelgehalt) | Niedriger (wirtschaftlich für viele Anwendungen) |
Wählen Sie 304, wenn: - Sie überlegene allgemeine Korrosionsbeständigkeit, hygienisch reinigbare Oberflächen, nicht magnetisches Verhalten und ausgezeichnete Umformbarkeit sowie Zähigkeit benötigen (z. B. in Lebensmittel-, Medizin- und Chemieumgebungen).
Wählen Sie 430, wenn: - Sie einen kostengünstigeren Edelstahl mit angemessener atmosphärischer Korrosionsbeständigkeit, magnetischen Eigenschaften (z. B. für Erkennung oder magnetische Befestigung) und guter Umformbarkeit für Innen- und Dekorationsanwendungen mit begrenzter Chloridbelastung benötigen.
Abschließende Bemerkung: Die Werkstoffauswahl muss Umgebungseinflüsse (Chloride, Temperaturen), mechanische Belastungen, Herstellungsweg (Umformen, Schweißen), Oberflächenbeschaffenheit und Gesamtkosten über den Lebenszyklus berücksichtigen. Für kritische Anwendungen ist eine Werkstoffverträglichkeitsprüfung (Labor-Korrosionstests oder Felddaten) empfehlenswert sowie die Konsultation aktueller ASTM/EN/JIS-Normen für genaue Zusammensetzung und zertifizierbare mechanische Eigenschaften.